Tekutý, přehnaně kritický, plynný: čištění křemíkových waferů pomocí superkritického oxidu uhličitého

Elektronické součástky, například integrované obvody (IC), jsou vyráběny z křemíkových waferů. Považují se za základní součásti všech elektronických zařízení, včetně notebooků, tabletů, chytrých telefonů, kamer a LCD televizorů. (Zdroj: LEWA GmbH) / Electronic components such as integrated circuits (ICs) are produced from silicon wafers. They are the basic components of all electronic devices, including laptops, tablets, smartphones, cameras, and LCD televisions. (Source: LEWA GmbH)

Při zahřátí na více než 35°C dosáhne CO₂ svého nadkritického stavu, což je fyzikálně považováno za směs plynného a kapalného skupenství. V tomto stavu má vynikající rozpouštěcí vlastnosti vůči určitým nepolárním nečistotám, jako jsou pryskyřice a částice. (Zdroj: LEWA GmbH) / By heating to at least 35°C the CO₂ has reached its supercritical state, means SCCO₂ – between that of gas and liquid. In this state, it has excellent solvent properties against certain non-polar impurities such as resin and particles. (Source: LEWA GmbH)

Membránová čerpadlo je instalováno v takzvané „skříni na čištění waferů“. V této skříni je kapalné CO₂ pomocí membránového čerpadla stlačeno v procesní komoře na minimálně 75 barů, aby bylo dosaženo odpovídajících čisticích vlastností. (Zdroj: LEWA GmbH) / The diaphragm pump is installed in a wafer cleaning cabinet where it compresses the liquid CO₂ to at least 75 bar in order to attain the appropriate cleaning properties. (Source: LEWA GmbH)

Čistota hraje při výrobě křemíkových waferů zásadní roli, aby byla zajištěna řádná vodivost a funkce integrovaných obvodů (IC), které z nich vznikají. Přitom musí být povrchová drsnost waferů několika výrobními kroky snížena na několik nanometrů a wafery během zpracování vyčištěny. Pokročilá čisticí metoda s nadkritickým CO₂ (anglicky SCCO₂) má oproti dříve zavedené metodě čištění v ultrazvukové lázni s vodou a chemikáliemi několik výhod, zejména pokud jde o odstraňování kovových částic. To bylo při mokrých procesech obtížné. Membránové čerpadla společnosti LEWA GmbH se v polovodičovém průmyslu osvědčila při čištění waferů s CO₂. Při tom je CO₂ v procesu vnitřní komory čisticího zařízení stlačeno membránovým čerpadlem na minimálně 75 barů a následně zahřáto na více než 35 °C. Tím přechází CO₂ z kapalného do nadkritického (anglicky supercritical) stavu. LEWA má potřebné know-how v manipulaci s kapalnými plyny a ve svém produktovém programu nabízí optimální techniku čerpadel série Ecoflow a Triplex. Certifikát pro čisté prostory od společnosti Fraunhofer-Gesellschaft (Fraunhofer IPA - TESTED DEVICE®) potvrzuje vhodnost čerpadel do čistých prostor podle uznávaných norem a směrnic.

Elektronické součástky, například integrované obvody (zkráceně IC), jsou vyráběny ze silikonových waferů. Jedná se o základní komponenty v každém zobrazovacím elektronickém zařízení, například v noteboocích, tabletech, chytrých telefonech, kamerách a LCD televizorech. Výroba waferů podléhá složitému procesu, který zahrnuje více než 100 výrobních kroků a trvá několik týdnů. Mnoho z těchto kroků je zakončeno čisticím procesem, který je klíčový pro dosažení vysoké kvality výsledného produktu v různých fázích výroby. V minulosti – a částečně i dnes – byla čištění waferů prováděna především ultrazvukovou lázní v vodě nebo chemikáliemi. Tento postup je jednak velmi náročný, jednak je spojen s vysokou spotřebou vody a likvidací řady chemických látek, což představuje environmentální a nákladové faktory. Často není výsledek mokrého čištění dokonalý, zatímco čištění pomocí nadkritického CO₂ přináší v polovodičovém průmyslu několik výhod. „Při čištění waferů je postup i používaná technologie stále předmětem kontinuálního vývojového procesu,“ vysvětluje Joachim Bund, vedoucí divize prodeje procesního průmyslu a downstream ve společnosti LEWA. „V polovodičovém průmyslu existuje řada renomovaných výrobců, kteří již plně přešli na čištění oxidem uhličitým s membránovým čerpadlem.“

Metoda čištění CO₂ s membránovými čerpadly v čistých prostorách

LEWA vyrábí do čistých prostor vhodná membránová dávkovací čerpadla s PTFE-sandwich membránou, která jsou pro tento proces obzvlášť vhodná. Spolehlivost, absolutně čisté a bezparticleové dávkování, možnost inline čištění, vysoká přesnost dávkování a reprodukovatelnost výsledků jsou klíčové parametry této aplikace. Speciálně vyvinuté signalizace porušení membrány zajišťuje dodatečnou bezpečnost procesu. Membránové čerpadlo je instalováno v tzv. „Wafer Cleaning Cabinet“. V tomto zařízení je kapalný CO₂ pomocí membránového čerpadla stlačen v procesu v komoře na minimálně 75 barů, aby bylo dosaženo požadovaných čisticích vlastností. „V dalším kroku je oxid uhličitý pomocí výměníku tepla zahřát na více než 35 °C,“ vysvětluje Claudia Schweitzer, produktová manažerka ve společnosti LEWA, celý proces. Tím CO₂ dosahuje svého nadkritického skupenství, které fyzikálně představuje směs plynného a kapalného stavu. V tomto stavu má velmi dobré rozpouštěcí vlastnosti vůči určitým nečistotám, například photoresistům a nad nimi ležícím kovovým vrstvám. Díky velmi nízké viskozitě dosahované při tomto procesu proniká SCCO₂ i do nejmenších štěrbin a struktur waferu. Po čištění následuje výplach čistým CO₂, aby bylo zajištěno, že na waferu nezůstaly žádné zbytky. Poté je systém snížen na nižší tlak, což způsobí sublimaci CO₂. Přímým přechodem do plynného skupenství jsou všechny komponenty po čištění dokonale vysušeny a zbaveny zbytků a nečistot. Čištění pomocí SCCO₂ je ekologičtější a ekonomičtější než tradiční metody čištění.

Kompresní teplo vyžaduje dodatečný chladicí plášť

V oblasti přepravy kapalných plynů má LEWA dlouholeté rozsáhlé zkušenosti z velmi rozmanitých projektů. Zvláště vznik nežádoucího kompresního tepla hraje při stlačování CO₂ a jiných plynů zvláštní roli. „Chlazení je u kapalných plynů vždy klíčovým tématem, protože při stlačování v čerpadle vzniká teplo,“ říká Bund. „Když se médium blíží bodu varu, hrozí vznik páry v sacím zdvihu. Tento jev se nazývá kavitační jev v sacím zdvihu.“ Aby se tomuto nežádoucímu procesu předešlo, vybavuje LEWA svá čerpadla dodatečným chladicím pláštěm, který zabraňuje kavitačním jevům u CO₂. Chlazení dále zvyšuje hydraulickou účinnost čerpadla.

Výběr materiálů pro části vedené kapalinou je přizpůsoben konkrétnímu procesu. To zahrnuje například snížení podílu kovů, které přicházejí do kontaktu s médiem, a zvláštní požadavky na povrchovou kvalitu čerpadlové hlavy. Tyto individuální parametry a materiálová data jsou upravena podle požadavků daného procesu. „Tímto způsobem můžeme pro každou čisticí úlohu nakonfigurovat vhodný agregát,“ shrnuje Bund.